PCB板上多長(zhǎng)的走線才是傳輸線?
- 發(fā)布時(shí)間:2022-10-19 09:21:03
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傳輸線的定義是有信號(hào)回流的信號(hào)線(由兩條一定長(zhǎng)度導(dǎo)線組成,一條是信號(hào)傳播路徑,另一條是信號(hào)返回路徑),最常見(jiàn)的傳輸線也就是我們PCB板上的走線。那么,PCB板上多長(zhǎng)的走線才是傳輸線呢?
PCB板上多長(zhǎng)的走線才是傳輸線?
這和信號(hào)的傳播速度有關(guān),在FR4板材上銅線條中信號(hào)速度為6in/ns。簡(jiǎn)單的說(shuō),只要信號(hào)在走線上的往返時(shí)間大于信號(hào)的上升時(shí)間,PCB上的走線就應(yīng)當(dāng)做傳輸線來(lái)處理。
我們看信號(hào)在一段長(zhǎng)走線上傳播時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況。假設(shè)有一段60英寸長(zhǎng)的PCB走線,如圖1所示,返回路徑是PCB板內(nèi)層靠近信號(hào)線的地平面,信號(hào)線和地平面間在遠(yuǎn)端開(kāi)路。
信號(hào)在這條走線上向前傳播,傳輸?shù)阶呔€盡頭需要10ns,返回到源端又需要10ns,則總的往返時(shí)間是20ns。如果把上面的信號(hào)往返路徑看成普通的電流回路的話,返回路徑上應(yīng)該沒(méi)有電流,因?yàn)樵谶h(yuǎn)端是開(kāi)路的。但實(shí)際情況卻不是這樣,返回路徑在信號(hào)上后最初的一段時(shí)間有電流。
在這段走線上加一個(gè)上升時(shí)間為1ns的信號(hào),在最初的1ns時(shí)間,信號(hào)還線條上只走了6英寸,不知道遠(yuǎn)端是開(kāi)路還是短路,那么信號(hào)感覺(jué)到的阻抗有多大,怎么確定?如果把信號(hào)往返路徑看成普通的電流回路的話就會(huì)產(chǎn)生矛盾,所以,必須按傳輸線處理。
實(shí)際上,在信號(hào)線條和返回地平面間存在寄生電容,如圖2所示。當(dāng)信號(hào)向前傳播過(guò)程中,A點(diǎn)處電壓不斷不變化,對(duì)于寄生電容來(lái)說(shuō),變化的電壓意味著產(chǎn)生電流,方向如圖中虛線所示。因此信號(hào)感受到的阻抗就是電容呈現(xiàn)出來(lái)的阻抗,寄生電容構(gòu)成了電流回流的路徑。信號(hào)在向前傳播所經(jīng)過(guò)的每一點(diǎn)都會(huì)感受到一個(gè)阻抗,這個(gè)阻抗是變化的電壓施加到寄生電容上產(chǎn)生的,通常叫做傳輸線的瞬態(tài)阻抗。
當(dāng)信號(hào)到達(dá)遠(yuǎn)端,遠(yuǎn)端的電壓升至信號(hào)的最終電壓后,電壓不再變化。雖然寄生電容還是存在,但是沒(méi)有電壓的變化,電容相當(dāng)于開(kāi)路,這對(duì)應(yīng)的就是直流情況。
因此,這個(gè)信號(hào)路徑短期的表現(xiàn)和長(zhǎng)期的表現(xiàn)不一樣,在起始一小段時(shí)間內(nèi),表現(xiàn)就是傳輸線。即使傳輸線遠(yuǎn)端開(kāi)路,在信號(hào)跳變期間,傳輸線前段的性能也會(huì)像一個(gè)阻值有限的電阻。
知識(shí)擴(kuò)展:傳輸線阻抗
先來(lái)澄清幾個(gè)概念,我們經(jīng)常會(huì)看到阻抗、特性阻抗、瞬時(shí)阻抗,嚴(yán)格來(lái)講,他們是有區(qū)別的,但是萬(wàn)變不離其宗,它們?nèi)匀皇亲杩沟幕径x:
將傳輸線始端的輸入阻抗簡(jiǎn)稱為阻抗;將信號(hào)隨時(shí)遇到的及時(shí)阻抗稱為瞬時(shí)阻抗;如果傳輸線具有恒定不變的瞬時(shí)阻抗,就稱之為傳輸線的特性阻抗。特性阻抗描述了信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)所受到的瞬態(tài)阻抗,這是影響傳輸線電路中信號(hào)完整性的一個(gè)主要因素。
如果沒(méi)有特殊說(shuō)明,一般用特性阻抗來(lái)統(tǒng)稱傳輸線阻抗。
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